Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические станции и подстанции. В 2 частях. Ч.2.. Учебное пособие.pdf
Рис. 1.6. Схема однофазного трансформатора
(
[
(
+−=+−
=
(
Преобразуя правую часть выражения, получаем:
= , (1.1)
)
]
)
IUIUUIUUUIUS
BCBCBBCCBBB
где (UB – UC)IB = ST – трансформаторная мощность, передаваемая магнитным путём из первичной обмотки во вторичную; U
= SЭ – элек-
C IB
трическая мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную за счёт их гальванической связи, без трансформации.
I
Эта мощность не нагружает общей обмотки, потому что ток
В
из
последовательной обмотки проходит на вывод С, минуя обмотку ОС.
В номинальном режиме проходная мощность является номинальной мощностью автотрансформатора
S
мощность – типовой мощностью
= S
T
S = S
TИП
, а трансформаторная
НОМ
.
Размеры магнитопровода, а следовательно, его масса определяются трансформаторной (типовой) мощностью, которая составляет
лишь часть номинальной мощности:
)
−
S
ТИП
=
S
НОМ
IUU
CB
B
IU
BB
−
UU
=
CB
1
1 K
=−=
nU
BCB
, (1.2)
T
где nВС = UB /UC – коэффициент трансформации; KТ – коэффициент
выгодности или коэффициент типовой мощности.
Из формулы (1.2) следует, что чем ближе U
к UС, тем меньше KТ
В
и меньшую долю номинальной составляет типовая мощность. Это означает, что размеры автотрансформатора, его масса, расход активных
материалов уменьшаются по сравнению с трансформатором одинаковой номинальной мощности.
21
Например, при UB = 330 кВ и UC = 110 кВ KТ = 0,667, а при
(
−
=
= 550 кВ и UC = 330 кВ KТ = 0,34.
U
B
Наиболее целесообразно применение автотрансформаторов при
сочетании напряжений 220/110; 330/150; 500/220; 750/330.
Из схемы (см. рис. 1.6) видно, что мощность последовательной
обмотки [2]
)
SIUUS =
;
мощность общей обмотки
()
IUIIUIUS ==
CCBCC0C0
ТИПBCBП
⎛
⎜
1
⎜
⎝
⎞
1
⎟
−=−==
⎟
n
⎠
BC
.
SKS
ТИПТНОМ
Таким образом, ещё раз можно подчеркнуть, что обмотки и магнитопровод автотрансформатора рассчитываются на типовую мощность, которую иногда называют расчётной мощностью. Какая бы
мощность ни подводилась к зажимам В или С, последовательную и
общую обмотки загружать больше чем на S
нельзя. Этот вывод
ТИП
особенно важен при рассмотрении комбинированных режимов работы
автотрансформатора. Такие режимы возникают, если имеется третья
обмотка, связанная с автотрансформаторными обмотками только магнитным путём.
Обмотку НН автотрансформатора используют в следующих целях: для подачи энергии на нагрузку, для присоединения источников
активной или реактивной мощности, а иногда используется для компенсации токов тр
етьих г
армоник. Типовая мощность (S
быть меньше мощности обмотки НН (S
), потому что эта мощность
HH
) не может
ТИП
определяет размеры автотрансформатора. В паспортных данных автотрансформатора указывается номинальная мощность обмотки НН.
В автотрансформаторах с обмоткой НН возможны различные режимы работы: при отключённой обмотке НН передача мощности из
обмотки ВН в обмотку СН; в обмотку СН или ВН передача мощности
к ВН и НН и другие режимы.
из обмотки НН; в обмотку СН из обм
ото
Контролировать загрузку общей и последовательной обмоток, а также
вывода СН, необходимо во всех случаях, для этого устанавливают
трансформаторы тока ТА1, ТА2 и ТА0 (рис. 1.7). На выводах В и С
автотрансформатора включают трансформаторы ТА1 и ТА2, а в общую обмотку встраивается ТА0.
22
Рис. 1.7. Схема включения трансформаторов тока
для контроля нагрузки автотрансформатора
Выводы, приведённые для однофазного автотрансформатора
справедливы и для трёхфазного.
К особенностям конструкции автотрансформаторов следует отнести необходимость глухого заземления нейтрали, общей для обмоток
ВН и СН. Объясняется это следующим. Если в системе с эффективно
заземленной нейтралью включить понижающий автотрансформатор с
незаземленной нейтралью, то при замыкании на землю одной фазы в
сети СН на последователь
вать полное напряжение U
ную обмо
/ 3 вместо (UB – UС) /,3 Напряжение
B
выводов обмотки СН возрастёт примерно до U
пряжение, приложенное к обмоткам неповрежденных фаз. Аналогичная картина наблюдается в случае присоединения повышающего автотрансформатора с незаземлённой нейтралью к системе с эффективно
заземленной нейтралью.
Такие перенапряжения недопустимы, поэтому нейтрали всех автотрансформаторов глухо заземляются. В этом случае заземления на
линии со стороны ВН или СН не вызывают опасных п
однако в системах ВН и СН возрастают токи однофазного КЗ.
тку этой фазы будет воздейство-
, резко увеличится на-
B
напряжений,
ере
23
Суммируя все сказанное, следует отметить плюсы использования
автотрансформаторов в сравнении с трансформаторами такой же мощности:
– малые затраты меди, стали, изоляционных материалов;
– меньшая масса, и следовательно меньшие размеры, это позво-
ляет конструировать автотрансформаторы больших номинальных
мощностей, чем трансформаторы;
– высокий КПД и малые потери;
– более лёгкие условия охлаждения.
Недостатки автотрансформаторов:
– обязательное гл
ухое заземление нейтрали, это приводит к по-
вышению токов однофазного КЗ;
– сложное регулирование напряжения;
– опасность перехода атмосферных перенапряжений, вследствие
электрической связи обмоток ВН и СН.
1.3. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ
1.3.1. Основные сведения
Для регулирования напряжения в системе с помощью трансформаторов (автотрансформаторов) на одной из обмоток (у трёхобмотчных трансформаторах на двух обмотках) предусматривают кроме основного вывода дополнительные ответвления и соответствующие переключающие устройства для изменения коэффициента
трансформации. Различают два вида переключающих устройств, а
именно: 1) устройства для переключения числа витков при отключенном трансформаторе, т.е. бе
з возбуждения, ПБВ; 2) устройства
для переключения числа витков под нагрузкой – РПН. Устройствами
первого вида снабжают все трансформаторы (исключения из этого
правила редки). Эти устройства позволяют обычно изменить коэффициент трансформации в пределах ±5%. Устройства второго вида
рассчитаны на изменение коэффициента трансформации в значительно более широких пределах – до 20%. Стоимост
ь их выше. Применение получили также регулируемые последовательные трансформаторы, включаемые последовательно с главными трансформаторами (автотрансформаторами), не снабженными устройствами РПН.
Ответвления для регулирования напряжения предусматривают,
как правило, на обмотках высшего напряжения, имеющих меньший
рабочий ток. На рисунке 1.8 показаны распространённые схемы обмоток
силовых трансформаторов с ответвлениями для устройств ПБВ и РПН.
24
Рис. 1.8. Схемы обмоток
трансформаторов с ответвлениями
для ПБВ и РПН
а) б) в)
Схема на рис. 1.8, а относится к обмоткам до 110 кВ. Ответвления
для устройства ПБВ предусмотрены посередине; вывод – на конце.
Схема на рис. 1.8, б относится к обмоткам 220…330 кВ, разделёнными
на две части с выводом посередине. Ответвления для устройства РПН
расположены на ¼ и ¾ высоты обмотки. Схема на рис. 1.8, в относится
к обмоткам трансформаторов 110 кВ; регулируемая часть обмотки
распол
ожена со стороны нейтрали, что позволяет снизить изоляцию
переключающего устройства РПН.
Чтобы обеспечить постоянное напряжения у зажимов обмотки
низшего напряжения трансформатора (с магнитной связью обмоток)
при изменении высшего напряжения, необходимо изменить число витков обмоток высшего напряжения так, чтобы поддерживать неизменной ЭДС на один виток, т.е. индукцию в магнитопроводе
. При увеличении высшего напряжения число витков следует увеличить, при этом
индукция не изменится.
В автотрансформаторах регулируемую часть обмотки одно время
размещали со стороны нейтрали (рис. 1.9, а). В отличие от трансформатора здесь при увеличении высшего напряжения необходимо
уменьшить число витков, чтобы поддержать неизменное напряжение
на стороне среднего напряжения. Это ведет
к увеличению ЭДС на
один виток, т.е. к увеличению индукции. Однако увеличение индукции
недопустимо вследствие резкого увеличения потери мощности в стали
и температуры магнитопровода. Чтобы избежать перенасыщения сердечника, приходится снижать расчётную индукцию, т.е. увеличивать
расход материалов и стоимость автотрансформатора.
Существенным недостатком регулирования изменением числа
витков общей обмотк
и является одновременное изменение напряжения третичной обмотки. Поэтому такое регулирование называют связанным. Действительно, при увеличении высшего напряжения и соответствующем уменьшении числа витков напряжение у зажимов тре-
25
тичной обмотки увеличивается вследствие увеличения индукции в
сердечнике. При уменьшении высшего напряжения и соответствующем увеличении числа витков напряжение третичной обмотки уменьшится вследствие увеличения индукции в сердечнике. При уменьшении высшего напряжения и соответствующем увеличении числа витков напряжение третичной обмотки уменьшится вследствие уменьшения индукции в сердечнике. Для устранения недостатков связанного
регу
лирования автотрансформаторов ответвления регулирования следует перенести на последовательную обмотку или к линейному выводу
среднего напряжения (рис. 1.9, б). При этом стоимость устройства для
регулирования увеличивается, так как оно должно быть изолированно
на более высокое напряжение.
а) б)
Рис. 1.9. Схемы регулирования напряжения автотрансформатора:
а – ответвления на общей обмотке;
б – регулирование на линейном вводе среднего напряжения
1.3.2. Последовательные регулировочные трансформаторы
Последовательные регулировочные трансформаторы (рис. 1.10)
предназначены для регулирования напряжения при отсутствии устройства РПН у главных трансформаторов (автотрансформаторов).
Они могут быть подключены к главному трансформатору (автотрансформатору) со стороны линейных выводов высшего напряжения,
линейных выводов среднего напряжения или со стороны нейтрали.
Последовательный регулировочный трансформатор имеет две
обмотки: последовательную 2, включаемую последовательно с соответствующей обмоткой главно
го трансформатора (автотрансформатора) 1, и обмотку возбуждения 3, получающую питание от обмотки
низшего напряжения главного трансформатора через регулируемый
автотрансформатор 4.
26
а)
б)
Рис. 1.10. Схемы регулирования с помощью последовательного
трансформатора:
а – схема включения последовательного трансформатора;
б – схема устройства последовательного трансформатора
Изоляция переключающего устройства регулируемого автотрансформатора может быть значительно ниже изоляции соответствующего
устройства, встроенного в главный трансформатор. Напряжение последовательной обмотки может быть изменено в пределах от нуля до полного
(определяемого требуемым диапазоном регулирования) с изменением
знака после перехода через нуль, т.е. оно может прибавиться к напряжению обмотки главного трансформатора или в
ычитаться из него.
Разновидностью последовательного регулировочного трансформатора является линейный трансформатор для поперечного регулирования (рис. 1.11), позволяющий сдвигать по фазе напряжения сети, не
изменяя его значения. Достигается это прибавлением к фазному напряжению сети регулируемого напряжения ∆U, сдвинутого на угол
90°. Для этого регулируемый трансформатор 4 присоединяют к линейному напряжению двух других фаз.
а)
б)
Рис. 1.11. Последовательный регулировочный трансформатор
для поперечного регулирования:
а – схема включения; б – векторная диаграмма
27
1.3.3. Переключающие устройства системы РПН
Переключающие устройства системы РПН выполняют таким образом, чтобы переключение с одного ответвления обмотки на другое
не сопровождалось разрывом цепи тока и закорачиванием витков обмотки. Элементами переключающего устройства являются: 1) избиратель ответвлений, контакты которого размыкают и замыкают ветви без
тока; 2) контакторы, размыкающие и замыкающие ветви цепи с рабочим током; 3) ток
оограничивающий реакто
р или резисторы; 4) при-
водной механизм [1].
Схема переключающего устройства системы РПН с токоограничивающим реактором приведена на рис. 1.12, а. В исходном положении контакты избирателя И
обмотки, а контакторы К
и И2 присоединены к одному ответвлению
1
и К2 замкнуты. Рабочий ток делится поровну
1
между ветвями сдвоенного реактора. Так как токи направлены встречно, падение напряжения в реакторе невелико.
Процесс переключения с одной ступени на другую протекает в
следующей последовательности. Размыкается контактор К
(под то-
2
ком), весь рабочий ток проходит через контакты избирателя И1, контакт избирателя И
тактор К
. Рабочий ток делится между ветвями реактора. Проявляется
2
переходит на второе ответвление, замыкается кон-
2
также циркулирующий ток, вызванный напряжением между соседними ответвлениями. Этот ток ограничен большим продольным сопротивлением реактора. Размыкается контактор К
избирателя И
переходит на соседнее ответвление, и снова замыкается
1
(под током). Контакт
1
28
а)
Рис. 1.12. Схемы подключения устройств:
а – РПН с реактором; б – РПН с резистором
б)
контактор К1. Процесс переключения закончен. Переключение на следующее ответвление происходит в той же последовательности.
В рассматриваемой схеме процесс переключения происходит относительно медленно, все элементы РПН рассчитаны на длительное
прохождение тока. Избиратель и токоограничивающий реактор размещены в баке трансформатора. Контакторы размещены в особом отсеке, чтобы обеспечить доступ к контактной системе, требующей ух
да. Реактор и
меет стальной сердечник, который должен быть заземлён,
о-
а изоляция обмотки реактора должна соответствовать рабочему напряжению. Чем выше последнее, тем больше размеры реактора. Это
ограничивает область применения рассматриваемой схемы. Она может
быть использована, если регулируемая часть обмотки находится со
стороны нейтрали.
Переключающие устройства системы РПН с ре
ршенны. Они относятся к быстродействующим устройствам. Раз-
сове
зистором более
меры резисторов, рассчитанных на кратковременный ток, относительно невелики и все устройство может быть выполнено весьма компактным. Принципиальная схема переключающего устройства приведена
на рис. 1.12, б. В исходном положении контакторы К
контакторы К
избирателя И
и К4 разомкнуты. Рабочий ток проходит через контакты
3
и контактор К1. Резистор R1 шунтирован. Процесс пере-
1
и К2 замкнуты, а
1
ключения на соседние ответвление обмотки происходит в следующей
последовательности. Контакт избирателя И
ответвление, размыкается контактор К
резистор R
и контактор К2. Замыкается контактор К3, и половина ра-
1
1
бочего тока проходит в ветвь резистора R
шой циркулирующий ток. Размыкается контактор К
весь ток переходит в ветвь резистора R
шунтируя резистор R
. Ток нагрузки проходит через контактор. Про-
2
переходит на соседние
2
, и рабочий ток проходит через
. Появляется также неболь-
2
(под током), и
2
. Замыкается контактор К4,
2
цесс переключения закончен. Левая честь схемы подготовлена к переключению на следующее ответвление.
В рассматриваемом устройстве с резисторами условия для гашения дуги, возникающей при размыкании ветвей с током, более благоприятны по сравнению с устройством с токоограничивающим реактором. Применяют контакторы в масле, а та
кже контакт
оры с вакуумными камерами, обладающими значительными преимуществами. Механизм переключающего устройства снабжён мощными пружинами,
обеспечивающими большую скорость переключения.
29
1.4. НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Нельзя руководствоваться только номинальной мощностью при
выборе мощности трансформаторов, так как температура охлаждающей среды в реальных условиях, условия установки трансформатора
могут отличаться от принятых условий установки трансформатора.
В течение суток нагрузка трансформатора меняется, при этом выбирая
мощность по максимальной нагрузке, трансформатор будет не загружен в периоды её спада. Практика показывает, если в одн
нагрузка трансфор
матора меньше номинальной, то в другую часть он
у часть суток
может работать с перегрузкой. Износ изоляции трансформатора является критерием различных режимов.
Нагрузочная способность трансформатора – это совокупность допустимых нагрузок и перегрузок.
Допустимая нагрузка – это длительная нагрузка, при которой расчётный износ изоляции обмоток от нагрева не п
ревосхо
дит износ, со-
ответствующий номинальному режиму работы.
Перегрузка трансформатора – режим, при котором расчётный износ, изоляции обмоток превосходит износ, соответствующий номинальному режиму работы. Данный режим возникает, когда температура охлаждающей среды больше принятой расчётной или нагрузка окажется больше номинальной мощности трансформатора.
Неравномерности нагрузки в течение суток возможны за счёт то-
о систематические на
го, чт
грузки трансформатора больше его номинальной мощности. На рисунке 1.13 изображён суточный график нагрузки, из которого видно, что во время вечернего максимума трансформатор перегружен, а в ночные, утренние и дневные часы трансформатор недогружен. Во время перегрузки износ изоляции значительно увеличивается, а при недо
Максимально допустимая с
грузке – мал.
истематическая нагрузка определяется
при условии, что наибольшая температура обмотки 140 °С, наибольшая температура масла в верхних слоях 95 °С и износ изоляции за
время максимальной нагрузки такой же, как при работе трансформатора при постоянной номинальной нагрузке, когда температура наиболее
нагретой точки не превышает 98 °С (ГОСТ 14209–85). Действительный гр
афик преобразуется в двух
ступенчатый для подсчёта допусти-
мой систематической нагрузки (см. рис. 1.13).
30